Luận văn Nghiên cứu mạng camera thông minh phục vụ giám sát an ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU MẠNG CAMERA THÔNG MINH PHỤC VỤ GIÁM SÁT AN NINH NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: NGUYỄN QUANG MINH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC BÌNH HÀ NỘI - 2006 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này, em xin cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS. TS Nguyễn Ngọc Bình, người đã định hướng khoa học, thu thập kiến thức và hướng dẫn em trong suốt quá trình làm việc. Nguyễn Quang Minh Hà nội, 11 - 2006 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................................................. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................................................ 5 CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 6 1.1 DẪN NHẬP................................................................................................................................................ 6 1.2 GIỚI HẠN HỆ THỐNG VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ .................................................................. 9 1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN............................................................................................... 10 CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH THIẾT KẾ SC & SCN......................................................................................... 12 2.1 ĐỊNH HƯỚNG THIẾT KẾ SCN............................................................................................................. 12 2.2 KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG VÀ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MỘT SC ................................................. 15 2.3 KIẾN TRÚC PHẦN MỀM TRONG SC .................................................................................................. 17 2.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 24 CHƯƠNG 3 : KIẾN TRÚC ĐÁNH ĐỊA CHỈ TỰ DO TRONG SCN........................................................ 26 3.1 ZEROCONF............................................................................................................................................. 28 3.2 KIẾN TRÚC ĐÁNH ĐỊA CHỈ TỰ DO AFA........................................................................................... 30 3.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 34 CHƯƠNG 4 : ĐỒNG BỘ BỘ ĐẾM TRONG SCN....................................................................................... 35 4.1 CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN THỐNG ..................................................................................................... 37 4.2 THIẾT KẾ GIẢI PHÁP ĐỒNG BỘ BỘ ĐẾM TRONG SCN................................................................. 38 4.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 41 CHƯƠNG 5 : ĐỊNH TUYẾN VÀ LỊCH TRUYỀN THÔNG TRONG SCN............................................. 43 5.1 ĐỊNH TUYẾN AODV ............................................................................................................................. 44 5.2 ĐỊNH TUYẾN ZRP ................................................................................................................................. 46 5.3 LỊCH TRUYỀN THÔNG CỦA THÔNG ĐIỆP PHÁT SINH THEO CHU KỲ ..................................... 50 5.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 56 CHƯƠNG 6 : AN NINH TRUYỀN THÔNG TRONG SCN ....................................................................... 59 6.1 TẬP GIAO THỨC SPINS ........................................................................................................................ 59 6.2 TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ DOS................................................................................................... 68 6.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 71 CHƯƠNG 7 : VẤN ĐỀ PHÂN TẢI, LIÊN KẾT NHIỆM VỤ GIÁM SÁT TRONG SCN..................... 73 7.1 PHÂN TÁN NHIỆM VỤ CHO SC TRONG SCN................................................................................... 76 7.2 ỨNG DỤNG TÁC TỬ THÔNG MINH................................................................................................... 84 7.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 89 CHƯƠNG 8 : LƯU TRỮ NỘI DUNG TRONG SCN................................................................................... 91 8.1 CHỌN LỰA THIẾT KẾ........................................................................................................................... 94 8.2 CẤU TRÚC DỮ LIỆU ............................................................................................................................. 97 8.3 LƯU TRỮ DỮ LIỆU VÀ THÔNG TIN TÓM TẮT.............................................................................. 103 8.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN ................................................................................................................ 105 KẾT LUẬN ...................................................................................................................................................... 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................. 109 PHỤ LỤC......................................................................................................................................................... 113 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BS Base Station, trạm gốc. Điểm gắn kết giữa hệ thống camera giám sát với người dùng. Tại đây, tác tử di động giao tiếp với người dùng và chuyển yêu cầu người dùng thành nhiệm vụ giám sát tương ứng và trao đổi thông tin với hệ thống. Thuật ngữ tương đương OCU (Operator/ Control Unit) SC Smart Camera, camera thông minh. Ngoài bộ phận cảm biến ghi hình khung cảnh và biến đổi thành dữ liệu số, SC còn có các khối chức năng khác như lưu trữ, truyền thông, xử lý, điều khiển PTZ ... SCN Smart Camera Network, mạng liên kết các camera thông minh. Là mạng liên kết các SC, không hướng cấu trúc mà hướng các sự kiện hệ thống phục vụ cho mục đích giám sát an ninh. SCN là một đại diện của hệ thống xử lý hình toàn năng, hệ thống đa phương tiện nhúng phân tán. s_clu Surveillance Cluster, nhóm các camera giám sát. Một nhóm được tạo bởi các SC có quan hệ trong sự kiện, nhiệm vụ. proxy Trong SCN, khái niệm này dùng để chỉ những SC hoạt động ở chế độ trung gian giao tiếp giữa ứng dụng tra cứu, BS với các SC khác. Tên gọi khác: AGM (Archive/ Gateway Module) 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các dự án nghiên cứu định tuyến trong mạng ad-hoc....................... 43 Bảng 2. Các loại giao thức trong ZRP ............................................................ 48 Bảng 3. Các lớp mạng và phòng chống tấn công từ chối dịch vụ .................. 69 Bảng 4. Thuật toán CSP cục bộ ...................................................................... 77 Bảng 5. Thuật toán CSP cục bộ có tỉa sớm..................................................... 78 Bảng 6. Thuật toán trộn hai thành phần.......................................................... 80 Bảng 7. So sánh tính năng các hệ lưu trữ nội dung ........................................ 93 Bảng 8. So sánh các phương pháp đánh chỉ mục.......................................... 102 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Các hệ thống camera giám sát thế hệ thứ nhất và thứ hai.................... 6 Hình 2. Hệ thống camera giám sát thế hệ thứ ba .............................................. 7 Hình 3. Định hướng thiết kế SCN................................................................... 13 Hình 4. Sơ đồ khối chức năng phần cứng trong SC........................................ 15 Hình 5. Kiến trúc phần cứng và đánh giá mức tiêu thụ năng lượng một SC.. 16 Hình 6. Kiến trúc phần mềm trong SC điển hình ........................................... 19 Hình 7. Cách đánh địa chỉ IP theo vị trí SC.................................................... 26 Hình 8. Mô hình hệ thống hướng sự kiện [CG_06]........................................ 30 Hình 9. Đường găng trong đồng bộ thời gian truyền thống và RBS .............. 41 Hình 10. Tuyến zone đối với nút A trong trường hợp ρ = 2 ........................ 47 Hình 11. Tái cấu trúc zone khi các nút chuyển vị........................................... 49 Hình 12. Truyền thông điệp qua một bước truyền.......................................... 51 Hình 13. Hai kiểu sắp lịch truyền thông. ........................................................ 52 Hình 14. Sử dụng chuỗi khóa theo khe thời gian để xác thực gốc truyền tin. 65 Hình 15. Phòng chống tấn công DoS kiểu gây nghẽn. ................................... 70 Hình 16. Kiến trúc TSAR với proxy và SC .................................................... 94 Hình 17. Một skip list và skip graph với n = 6 nút và [log n] = 3 mức .......... 99 Hình 18. Bản ghi lưu trữ đơn ........................................................................ 103 6 CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU 1.1 DẪN NHẬP Việc ứng dụng mạng camera để giám sát an ninh khu vực đã được đưa vào thực tế từ rất lâu. Theo dòng phát triển khoa học công nghệ, các mạng camera giám sát phát triển không ngừng, đến nay đã trải qua ba thế hệ công nghệ Thế hệ đầu tiên, là giai đoạn sử dụng các camera tương tự CCTV, tín hiệu hình ảnh được truyền từ về trung tâm, nơi có đặt thiết bị xuất hình hay lưu trữ ra băng từ. Thế hệ thứ hai, đã có sự tiến chuyển là xuất hiện các thiết bị số đặt tại trung tâm, các dòng dữ liệu hình truyền tải về đây được phân tích và xử lý tự động theo thời gian thực. Hệ thống có khả năng đưa ra cảnh báo dựa trên phân tích tự động dữ liệu nhận được do các camera cung cấp. Hình 1. Các hệ thống camera giám sát thế hệ thứ nhất và thứ hai Thế hệ thứ ba, là thế hệ mạng giám sát ngày nay, đã có sự thay thế hoàn toàn các camera tương tự bởi các camera số nên dòng dữ liệu hình truyền về trung tâm là dòng video đã qua nén để tối ưu băng thông cũng như sử dụng trực tiếp hạ tầng mạng IP như Ethernet hay Wireless LAN. Tại trung tâm các thiết bị cũng có hiệu năng cao hơn nhiều so với thế hệ trước. 7 Hình 2. Hệ thống camera giám sát thế hệ thứ ba Khái niệm camera thông minh intelligent camera bắt đầu được đưa ra vào thời điểm này, với định nghĩa đơn giản là camera có thể tiền xử lý các hình ảnh thu nhận được1. Tuy nhiên hệ thống thế hệ thứ ba chưa thật sự đáp ứng được nhu cầu người dùng trong nhiều trường hợp. Nguyên nhân sâu xa nằm tại kiến trúc của hệ thống. Kiến trúc này có nhiều nhược điểm, cụ thể như: - Tính chịu lỗi thấp Khi có sự cố tại trung tâm điều khiển dễ dẫn đến điều khiển hệ thống, các phân tích và xử lý dữ liệu hình bị đình trệ đến khi sự cố này được khắc phục. - Thông tin chưa như mong muốn Để có các kết quả phân tích dữ liệu hình chất lượng cao, các dữ liệu hình truyền tải về trung tâm phải chọn phương pháp nén không mất thông tin lossless và tốc độ dòng bit cao. Bài toán đặt ra ở đây là cân nhắc giữa băng thông và tỷ số nén. Những phương pháp nén hiện nay như JPEG, MPEG hay MJPEG cho tỷ số nén tốt nhưng thuộc loại nén mất thông tin. Như vậy có thể xảy ra trường hợp là có dữ liệu truyền về trung tâm nhưng chất lượng dữ liệu đó không đáp ứng được nhu cầu của ứng dụng. 1 Các tác vụ như trích chọn đặc trưng, phát hiện chuyển động và thông tin cảnh báo truyền về trung tâm trước song song với việc truyền dòng dữ liệu hình về ở các tốc độ khung và chất lượng ảnh khác nhau. 8 - Thiếu tính tự chủ Thông tin điều khiển luôn theo hướng từ trung tâm đến camera, giữa các camera không có khả năng trao đổi thông tin trực tiếp. - Không có khả năng tái cấu trúc kiến trúc phân tầng và phân chia chức năng của từng vùng trong hệ thống dẫn đến khả năng thích nghi của hệ thống là không cao. Điều này dẫn đến việc lai ghép hay phân tách hệ thống rất khó khăn. Hệ thống là hầu như không phân tách tùy ý được do tồn tại trung tâm điều khiển. Về tổng quan, một hệ thống giám sát an ninh gồm có những thành phần sau: 1. Kiến trúc cảm biến. 2. Các thuật toán phát hiện và xử lý cấp thấp. 3. Kiến trúc xử lý tính toán phần cứng. 4. Kiến trúc xử lý tính toán phần mềm. 5. Giao diện người dùng. 6. Các thuật toán cấp cao để hợp nhất dữ liệu và loại bỏ những sự kiện không mong muốn. Trong những năm gần đây, người ta đã tập trung nghiên cứu thay đổi kiến trúc hệ thống trong các thành phần 3, 4 từ xử lý tập trung sang phân tán. Tất nhiên những thay đổi về kiến trúc đó sẽ dẫn đến những thay đổi tương ứng ở những thanh phần còn lại. Hệ thống mới được xếp loại là thế hệ thứ 3+. Luận văn này được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và xây dựng mới một sản phẩm là hệ thống trong nhóm thế hệ 3+ này. Sản phẩm này được đặt tên là HỆ THỐNG CAMERA THÔNG MINH - Smart Camera Networks (SCN). 9 1.2 GIỚI HẠN HỆ THỐNG VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Các hệ thống xử lý hình toàn năng ubiquitous vision system (UVS)2, là mong muốn đạt được của các nhà khoa học máy tính trên thế giới. Trên một lĩnh vực cụ thể là giám sát an ninh khu vực thì SCN có thể coi là đại diện tiêu biểu của UVS, do vậy tôi chọn lựa và xây dựng SCN trong phạm vi các ràng buộc về công nghệ và ứng dụng nhất định. SCN tổng quát được định nghĩa là mạng của các camera phân tán thực sự và phân tải phân tán xử lý tính toán3. Trên thế giới, các hệ thống gần tương tự như SCN cũng đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu hoặc đã được ứng dụng trong an ninh quốc phòng. Mục tiêu xây dựng hệ thống SCN cho thị trường dân sự và an ninh khu vực, nên tôi tập trung xây dựng và giải quyết hai bài toán cơ bản nhất của một mạng giám sát an ninh phân tán, cụ thể là: 1. Bài toán CB1: Đánh giá tác động và cơ chế điều chỉnh phân tán nhiệm vụ giám sát cho mỗi SC trong SCN. 2. Bài toán CB2: Tìm kiếm thông tin, dữ liệu hình đã lưu trữ trong SCN. Các ứng dụng phát hiện và trích chọn đặc trưng cục bộ có thể xử lý bởi một camera đơn nhất được coi là đơn giản và không trình bày trong luận văn này. Tuy phân tích hành vi đối tượng, phân tích tình huống phát hiện chuyển động bất thường là những ứng dụng phức tạp nhưng có thể giải quyết bởi việc phát triển bài toán CB1, và cũng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận văn này nên cũng không trình bày tại đây mà dành cho các nghiên cứu mở rộng tiếp theo. 2 Capture and maintain an awareness of dynamic events of variable spatiotemporal resolution and of multiple levels of abstraction. 3 Physically distributed cameras and distributed computing. 10 Do điều kiện kỹ thuật chưa có điều kiện triển khai thực tế tại Việt Nam nên hai bài toán cơ bản nêu trên được xây dựng và giải quyết trên cơ sở phân tích, đánh giá và thử nghiệm trên mô hình mô phỏng và phòng thí nghiệm. 1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Luận văn này là một ứng dụng nhỏ của ngành khoa học máy tính vào trong lĩnh vực giám sát an ninh khu vực và là cơ sở để xây dựng các hệ thống thương mại mới, phù hợp với mặt bằng khoa học và công nghệ tại Việt Nam hiện nay. Những đóng góp chính về mặt khoa học của luận văn là: - Đề xuất chuyển đổi những thuật toán xử lý ảnh và thông tin hình tập trung thành những liên kết nhiệm vụ phân tán trong một mạng phân tán thực sự của các thiết bị nhúng đáp ứng thời gian thực. - Đề xuất sử dụng framework mềm dẻo cho phần mềm và sử dụng các tác tử thông minh di động khi liên kết nhiệm vụ là những hướng đi đúng khi phát triển ứng dụng cho các thiết bị nhúng. - Đề xuất sử dụng cấu trúc lưu trữ trong hệ thiết bị nhúng phân tán với hai lớp trong suốt đối với ứng dụng và người dùng cho bài toán lưu trữ và tra cứu dữ liệu hình. - Đề xuất sử dụng phương pháp truyền thông vô tuyến phi cấu trúc cho hệ thống giám sát an ninh trong các trường hợp khẩn cấp và đặc biệt. Từ bài toán CB1 có thể dễ dàng phát triển thành các bài toán tương tự giải quyết được những vấn đề phức tạp hơn. Bài toán CB2 là khuôn mẫu và ví dụ cho việc xây dựng các hệ thống lưu trữ nhúng phân tán khác. Các ứng dụng, nghiên cứu trong SCN có thể tái sử dụng và phát triển cho các hệ thống đa phương tiện phân tán khác ví dụ như Smart Audio Network, hay tổng quát hơn ví dụ như Smart Sensor Network. 11 Bố cục Chương 2 nêu Giới hạn hệ thống; các vấn đề và định hướng chọn lựa kiến trúc phần cứng và phần mềm cho các SC là các phần tử cơ bản của hệ thống SCN. Chương 3,4,5,6 là các chủ đề cơ bản nhất trong hệ thống SCN là vấn đề đánh địa chỉ SC, vấn đề đồng bộ bộ đếm, vấn đề định tuyến, vấn đề an ninh truyền thông trong SCN. Những chủ đề này là cơ sở và có tác động đến mô hình và giải pháp cho hai bài toán CB1 và CB2 được giải quyết trong chương 7 và 8. Phần cuối cùng là kết luận và những hướng nghiên cứu tiếp theo khi phát triển hệ thống tương tự và kế thừa SCN. 12 Chương 2 : MÔ HÌNH THIẾT KẾ SC & SCN Hệ thống SCN được xây dựng dựa trên nền tảng là các SmartCamera (SC) phân tán và truyền thông không dây ngang hàng (ad-hoc) giữa chúng. - Mỗi SC là một hệ thống nhúng có đáp ứng thời gian thực RTES4. - Truyền thông trong SCN sử dụng chuẩn 802.115. Trong những ứng dụng, hoàn cảnh cụ thể, một SC bình thường có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau và hiện diện trong hệ thống như là một thiết bị khác. - BS Điểm gắn kết với người dùng, tương tác với hệ thống khác hoặc từ đó là nguồn phát sinh điều khiển, dịch vụ thu thập số liệu. - Proxy Điểm trung gian giữa BS và các SC khác hoạt động như một Router, Data Proxy, RBS ... - active_SC Hoạt động ở chế độ bình thường, có xử lý cả hình ảnh và truyền thông. - sleep_SC Hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng, giảm tải xử lý và truyền thông. 2.1 ĐỊNH HƯỚNG THIẾT KẾ SCN Khi lựa chọn kiến trúc phần cứng và phần mềm cho SC trong SCN cần tuân thủ các định hướng thiết kế sau: hướng mở, theo nhu cầu, hướng động và mạnh mẽ. 4 Các SC được chọn phải đủ nhỏ; tối ưu năng lượng để có thể hoạt động mà không cần thiết bị cấp nguồn ngoài trong một khoảng thời gian nhất định; không bắt buộc phải cố định và khung nhìn giám sát có thể thay đổi PTZ tùy ý hoặc theo ứng dụng. 5 Trong trường hợp một nhóm các SC được kết nối bởi một phương thức truyền thông tốc độ cao, hướng cấu trúc thì nhóm SC đó được coi như là một SC đặc biệt trong hệ thống và các SC khác giao tiếp với nhóm SC đó như một SC độc lập, phân biệt với s_clu, microcluster. Trong hệ thống có thể tại một thời điểm hay một phạm vi nhất định hoặc một ứng dụng nhất định có tồn tại điểm truy nhập tập trung AP ví dụ như vệ tinh địa tĩnh, cluster AP tuy nhiên các ứng dụng được xây dựng nhằm đảm bảo phụ thuộc ít nhất vào các AP trên khi hoạt động. 13 C C C C ON DEMAND ROBUSTNESS DYNAMIC OPENNESS Hình 3. Định hướng thiết kế SCN Phục vụ theo nhu cầu - on demand Khác với hướng tiếp cận của các hệ thống trước, các thông tin và dữ liệu hình được tập trung về trung tâm, và sẽ phân phối thông tin, tham chiếu đến những người dùng quan tâm. Trong SCN với mỗi người dùng, mỗi ngữ cảnh, hệ thống sẽ có đáp ứng thích hợp. Định hướng này còn góp phần đảm bảo đáp ứng thời gian thực của hệ thống. Việc ch